杨柳青农场知青网_我家的房子是用细菌盖的

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杨柳青农场知青网_我家的房子是用细菌盖的,

本文来自微信民众号:科学大院(ID: kexuedayuan),作者:李辉,题图来自:东方IC


“我家的屋子是用木头盖的。”


“我家的屋子是用石头建的。”


“我家的屋子……是用细菌盖的……”


将来,衡宇说不定会变得奇异起来,有蓝藻盖的屋子,也有芽孢杆菌造的高楼……听起来像黑科技?实在,运用微生物制造建筑材料的设想已在逐步往实际挨近。


微生物也是混凝土制造工


混凝土是世界上运用量最大的人工土木建筑材料,它主假如由水泥、 砂石和水按恰当比例设置,再经由一定时候硬化而成的复合材料,水泥在混凝土的制造历程当中起了非常重要的粘结作用。

如今,涌现了一种叫生物混凝土的材料,它和传统的混凝土有什么区别?名字前加了个生物,岂非还能发展不成?答案是一定的,它确切能发展,而且一打仗氛围就能够发展。


生物混凝土就是在传统的混凝土的基础上,把部份或悉数的水泥换成微生物和它的碳源和动力物资。先将生物混凝土铺成一层,一旦生物混凝土中的微生物能够打仗到氛围,它们就会被“叫醒”,微生物发展后将砂石固化,再接着铺下一层,云云来去,直到获得抱负尺寸的建筑材料。   


微生物能够牢固住松懈的砂石,这是由于它们的“身材”有粘性吗?并非。最直接将砂石牢固起来的填缝物资是碳酸钙,碳酸钙有方解石、霰石晶体和球霰石三种同质异构体,也恰是所构成的这三种晶体紧紧地将建筑裂痕双方又合在了一同。而碳酸钙的构成历程当中微生物是功不可没的,我们能够将这个历程称之为微生物矿化即依附微生物发生矿物的历程,该历程经常能够使得微生物四周的基质变硬。


从左往右离别为方解石、霰石晶体和球霰石(图片泉源:Wikipedia)


下面我们来引见一种微生物矿化历程——微生物引诱碳酸钙堆积(MICP),MICP能够运用微生物在泥土基质中引诱碳酸钙沉淀, 是差别微生物群落代谢产物和环境中存在的有机或许无机化合物相互作用的效果,MICP平常分为三步,离别为:


微生物引诱天生碳酸钙沉淀的历程示意图(图片泉源:De Muynck W et al., 2010)


第一步,带负电的细胞壁构造富集了溶液中的钙离子;第二步,部分环境中的CO32-离子会和钙离子连系,构成碳酸钙沉淀于细胞外表;第三步,碳酸钙晶体不停发展,微生物逐步被包裹,限定营养物资的传输,细胞殒命。


这个历程完成后,表观上所能看到的是比较大的碳酸钙晶体,不轻易用肉眼看到但存在的是晶体内部的一些小坑,这些小坑即为微生物曾存活的位置。平常而言,材料内部天生碳酸钙含量越多,其内部孔隙减小越明显,宏观表现出来的力学性能(如强度、刚度、渗透性等)就越优秀 。   


制造生物混凝土的“工匠”都有哪些? 


哪一种微生物能够用来引诱碳酸钙堆积,制造生物混凝土呢?重要分为两类,离别为营异养的微生物和营自养的微生物。


自养的光合微生物,包含蓝细菌和微藻。氛围中的CO2消融在水中会构成HCO3-,HCO3-会被转运进微生物细胞内转化成CO2和OH-,CO2被光合体系所运用,剩下的OH-会被泵至细胞外,形成细胞外pH的上升,pH上升又会增进CO32-增添,碳酸钙也就更轻易沉淀。


Varenyam Achal et. al., Earth-Science Reviews,2015;蓝细菌(图片来自青岛动力所MME )   


异养的微生物,包含一些芽孢杆菌,节杆菌以及红球菌,它们能够以有机酸盐(像是乙酸,乳酸、柠檬酸、琥珀酸、草酸、苹果酸和乙醛酸)为动力物资,在斲丧这些有机物的历程当中能够增进CO32-的构成,进而和造就基中的钙离子和镁离子反应,离别构成沉淀,详细的化学反应如下图。


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(图片泉源:Mostafa Seifan et al., Appl Microbiol Biotechnol, 2016)


虽然微生物能够引诱碳酸钙堆积,然则并非一切的微生物都有这个才,碳酸钙沉淀重要须要两种离子,CO32-和Ca2+,Ca2+能够很轻易以钙盐的情势消融至水中,然后加入到混凝土。以后要构成碳酸钙沉淀就须要处理怎样运用微生物发生更多的CO32-这一题目,因而,更轻易发生CO32-的微生物能够更适宜于引诱碳酸钙堆积。


可自我修复的建筑&不沉的“航空母舰”


相对于传统的混凝土,微生物混凝土重要有两个长处,


一是环保,当前仅仅制造水泥所排放出的CO2就占人类运动碳排量的6%,假如将来能以光合微生物大规模制造生物混凝土,那末这个数字以及它所延长的一系列题目都将会获得减低和减缓。


二是牢固,据美国交通部预算,每年仅美国基础设施的修复事情发生的用度高达5000多亿美金,这些题目中就包含建筑的裂痕。而据微生物混凝土的制造商声称,现在的生物混凝土修复裂痕的上限是0.8mm,只管还比较小,然则从实际效果来看,裂痕继承扩展的能够性是被降低了。


荷兰代夫特理工大学的Henk Jonkers传授处置海洋生物学研讨许多年,在生物混凝土范畴宣布了许多比较有影响力的科学论文,同时照样一家生物混凝土公司的科学参谋。他曾开发出一种能够自动修复裂痕的生物混凝土,还因而被提名欧洲发明家奖,该混凝土的身分之一是乳酸钙,运用这类材料建的建筑,一旦涌现了裂痕,混凝土中的微生物和氛围就会打仗,举行增殖,增进CaCO3晶体的构成,从而补上裂痕。


Henk Jonkers 传授和他的生物混凝土(图片泉源:Basilisk)


生物混凝土除了可在民用范畴运用,其在军事范畴也能够大显神通。


据美国《群众机器》杂志引见,美国空军正在寻觅能够使飞机跑道变平整,坚固的新材料,一个智囊团给出的“美杜莎”计划恰是借助微生物的气力来建筑。别的,航空母舰能够增添戎行的作战半径,假如能在海洋中人工造出一个岛屿来,再在岛屿上布置响应的配套设备,基本就相当于具有了一个不沉的“航空母舰”了。在海上猎取大石块比沿海地区难度更大,然则海沙相对比较轻易猎取,微生物也相对比较轻易滋生,在制造生物混凝土的重要身分都具有的情况下,制作一个不沉的“航空母舰”是可完成的。


什么时候才大规模运用生物混凝土


只管现在生物混凝土已研制出了一些产物,有一定水平的运用,然则还没有被大规模的运用,主假如由于还存在以下几点应战:


1)造就细菌所用的营养物资过于高贵,这些营养物资的本钱占到了全部运转历程的60%。


2)MICP历程高度取决于脲酶和碳酸钙的产率,然则水泥混凝土中环境恶劣,尤其是其pH值高达10摆布,使得微生物很难存活或许目的产物的产率难以进步。


3)氯元素的有害效应,在生物混凝土中增加Ca2+时, Ca2+的泉源往往是高可溶性的氯化钙,然则氯元素会对混凝土中的别的组分有侵蚀作用。


应战尚且存在,但我们照旧能够对将来坚持期待,不管是军用照样民用,找寻突破口和处理计划,举行仔细的核算和综合的考量,置信不久我们就能够看到用细菌建筑成的铁路,用蓝藻修理好的衡宇。


参考文献:

1. M. J. Castro-Alonso et al., Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation (MICP) and Its Potential in Bioconcrete: Microbiological and Molecular Concepts. Frontiers in Materials 6,  (2019).

2. M. Seifan, A. K. Samani, A. Berenjian, Bioconcrete: next generation of self-healing concrete. Applied Microbiology and Biotechnology 100, 2591-2602 (2016).

3. 钱春香, 王欣, 於孝牛, 微生物水泥研讨与运用希望. 材料工程 43, 92-103 (2015).

4. 董志良, 刘嘉, 朱幸科, 张波云, 高铭新, 大面积围海造陆围堰工程症结技术研讨及运用. 水运工程, 168-175 (2015).

5. V. Achal, A. Mukherjee, D. Kumari, Q. Zhang, Biomineralization for sustainable construction – A review of processes and applications. Earth-Science Reviews 148, 1-17 (2015).

6. Kyle Mizokami, The U.S. Air Force Plants to ‘Grow’ Runways with Bacteria . POPULAR MECHANICS,2019


本文来自微信民众号:科学大院(ID: kexuedayuan),作者:李辉,作者单元:中国科学院青岛生物动力与历程研讨所 

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